CN108061883B - 局部散射源反演的近场散射函数转换弹目交会回波的方法 - Google Patents

局部散射源反演的近场散射函数转换弹目交会回波的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种局部散射源反演的近场散射函数转换弹目交会回波的方法，对已知几何外形的目标，生成在探测天线照射下的目标动态回波，包含：S1、按目标的长度方向构建椭圆柱状的包围面，将目标完全包围在内；S2、基于正交偶极子，获取包围面上的近场散射函数的分布数据；S3、在弹目交会过程中，对近场散射函数进行探测天线方向图的加权计算；S4、基于加权后的近场散射函数，反演计算目标表面的局部散射源；S5、基于反演的局部散射源，生成目标的动态回波。本发明能实现不同观测天线下弹目交会回波的快速计算，将目标近场散射函数与观测天线去相关，提高特性数据的适用率。

Description

局部散射源反演的近场散射函数转换弹目交会回波的方法
技术领域
本发明涉及一种近场散射函数转换弹目交会回波的方法，具体是指一种基于局部散射源反演的近场电磁散射特性数据转换生成弹目交会回波的方法，属于雷达目标电磁散射特性处理的技术领域。
背景技术
常用的弹目交会雷达回波仿真方法主要有基于目标离散网络模型以及基于目标散射点这两类。两者均需要直接结合观测天线方向图进行计算，获取的电磁散射计算数据与观测天线密切相关，不同观测天线的散射数据难以共用。同时，基于目标离散网格模型的方法一般涉及的电磁散射计算量较大，仿真速度难以满足要求，也难以利用逼真度更高的散射测量数据。而基于目标散射点的方法则存在复杂目标全局散射点难以提取，数据精度难以保证的缺陷。
空军工程大学的林存坤、张小宽等在空军工程大学学报，2015，16(4)，46-49上公开的文献《基于FEKO的引信目标近场动态散射特性实时仿真[J]》，给出了一种基于全波算法的目标散射回波快速仿真方法，根据引信特点建立了弹目交会模型，实现了弹目交会回波仿真。但是该方法仍然采用天线方向图直接进行回波仿真，未涉及近场散射函数至弹目交会回波的转换。
环境电磁特征国家重点实验室的梁子长、岳慧等在上海航天，2011，第2期，32-37上公开的文献《广义RCS及近场电磁散射建模应用》，提出了基于偶极子的适于远近场的广义RCS定义以及基于天线分解的弹目交会回波转换方法。但是该方法未涉及目标包围面、局部散射源反演等方面内容。
南京理工大学的刘清成、李兴国等在系统仿真学报，2009，21(16)，5954-4957上公开的文献《近程毫米波多普勒目标模拟器的建模与仿真》，给出了一种基于散射点的目标回波仿真方法。但是该方法结合散射点及天线方向图直接进行回波仿真，未涉及近场散射函数至弹目交会回波的转换。
南京理工大学的肖泽龙、张恒等的专利申请《一种引信目标回波模拟半实物仿真装置》(公开号：CN106646399A)，提出了一种引信目标回波模拟半实物仿真方法，该方法采用等效散射点模型模拟近场目标。但未涉及近场散射函数至弹目交会回波的转换。
北京锐安科技有限公司的罗权的专利申请《一种目标回波仿真方法和装置》(公开号：CN105467369A)，提出了一种目标回波仿真方法，该方法根据目标飞行轨迹分别计算目标回波，观测距离较远。但未涉及近场散射函数至弹目交会回波的转换。
西安电子科技大学的曹运华、吴振森等的专利申请《基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算方法》(公开号：CN105486180B)，提出了一种基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算方法。但是该方法未涉及微波段雷达目标回波的计算，也未涉及近场散射函数至弹目交会回波的转换。
基于上述，本发明提出一种基于局部散射源反演的近场散射函数转换生成弹目交会回波的方法，以解决并克服现有技术中存在的缺点和限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种局部散射源反演的近场散射函数转换弹目交会回波的方法，实现不同观测天线下弹目交会回波的快速计算，将目标近场散射函数与观测天线去相关，提高特性数据的适用率。
为实现上述目的，本发明提供一种局部散射源反演的近场散射函数转换弹目交会回波的方法，对已知几何外形的目标，生成在探测天线照射下的目标动态回波，具体包含以下步骤：
S1、按目标的长度方向构建椭圆柱状的包围面，将目标完全包围在内；
S2、基于正交偶极子，获取包围面上的近场散射函数的分布数据；
S3、在弹目交会过程中，对近场散射函数进行探测天线方向图的加权计算；
S4、基于加权后的近场散射函数，反演计算目标表面的局部散射源；
S5、基于反演的局部散射源，生成目标的动态回波。
所述的S1中，以长度方向的目标轴为中心轴，构建椭圆柱状的包围面，要求柱长大于目标长度，椭圆截面的长轴和短轴分别大于目标横截面内两正交方向的尺寸，将目标完全包围在椭圆柱状的包围面内。
所述的S2中，按照包围面的局部切向分别放置两个正交的偶极子天线，通过仿真或测量，获取包围面上的不同极化方向的后向散射电场数据，并计算近场散射函数及近场散射函数的分布数据。
所述的S2中，近场散射函数
Figure BDA0001486013840000031
以及计算近场散射函数的分布数据
Figure BDA0001486013840000032
的计算方法为：
Figure BDA0001486013840000033
Figure BDA0001486013840000034
其中，p,q＝V,H分别表示垂直和水平极化，V取包围面的椭圆柱的轴向，H取包围面的椭圆截面的切向；ρ为包围面上的点至中心轴的距离；
Figure BDA0001486013840000035
为包围面上的散射电场分量大小；Ep0为目标中心处的入射电场分量大小。
所述的S3中，在弹目交会过程中，对某一时刻的探测天线，计算其在包围面上的照射区域中各位置的电场增益，且按极化方向分解，再对不同极化方向下的近场散射函数进行加权计算，得到加权后的近场散射函数。
所述的S3中，加权后的近场散射函数
Figure BDA0001486013840000036
的计算方法为：
Figure BDA0001486013840000037
其中，t表示某一时刻；
Figure BDA0001486013840000038
和
Figure BDA0001486013840000039
分别为按极化方向分解后得到的探测天线在包围面上的照射区域中各位置的电场增益。
所述的S4中，对某一时刻，提取包围面内的目标被探测天线的照射区域，通过对包围面积分来计算其局部位置处的不同极化方向下的散射源强度。
所述的S4中，目标表面的局部位置处的不同极化方向下的散射源强度apq(ra)的计算方法为：
Figure BDA00014860138400000310
其中，R'为目标表面局部位置ra至包围面上位置
Figure BDA00014860138400000311
处的距离；k为电磁波波数；S'为包围面被天线波束所照射的照射区域的表面面积。
所述的S5中，根据某一时刻目标表面局部散射源的分布，通过积分计算直接获取不同时刻目标的动态回波。
所述的S5中，不同时刻目标的动态回波的计算方法为：
Figure BDA0001486013840000041
其中，aVV、aVH、aHV与aHH分别表示不同极化方向下的局部散射源强度；i为虚数单位；k为电磁波波数；R为目标表面局部位置ra至t时刻观测天线位置的距离；S为目标被天线波束所照射的照射区域的表面面积。
综上所述，本发明提供的局部散射源反演的近场散射函数转换弹目交会回波的方法，实现了不同观测天线下弹目交会回波的快速计算；将目标近场散射函数与观测天线去相关，大幅提高了特性数据的适用率；并且对于电大尺寸目标，可提高其动态回波的仿真计算速度。
附图说明
图1为本发明中的局部散射源反演的近场散射函数转换弹目交会回波的方法的流程图；
图2为本发明优选实施例中的以三个金属球组合体作为目标的示意图；
图3为本发明优选实施例中的以三个金属球组合体作为目标，在其包围面上的VV极化近场散射函数的示意图；
图4为本发明优选实施例中的弹目交会过程中，天线波束照射包围面的示意图；
图5是本发明优选实施例中的包围面内目标被探测天线照射区域的散射源分布示意图；
图6是本发明优选实施例中的目标动态回波的转换生成结果的示意图。
具体实施方式
以下结合图1～图6，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
如图1所示，为本发明提供的局部散射源反演的近场散射函数转换弹目交会回波的方法，对已知几何外形的目标，生成在探测天线照射下的目标动态回波，具体包含以下步骤：
S1、按目标的长度方向构建椭圆柱状的包围面，将目标完全包围在内；
S2、基于正交偶极子，获取包围面上的近场散射函数的分布数据；
S3、在弹目交会过程中，对近场散射函数进行探测天线方向图的加权计算；
S4、基于加权后的近场散射函数，反演计算目标表面的局部散射源；
S5、基于反演的局部散射源，生成目标的动态回波。
所述的S1中，以长度方向的目标轴为中心轴，构建椭圆柱状的包围面，要求柱长大于目标长度，椭圆截面的长轴和短轴分别略大于(具体是指包围面至目标表面的最近距离不少于0.5m)目标横截面内两正交方向的尺寸，使目标完全处于椭圆柱状的包围面内。
如图2所示，在本发明的一个优选实施例中，是以三个直径均为0.4m的金属球的组合体为目标，这三个金属球的球心位置分别为(-2m，0，0)，(2m，0，-1m)，(2m，0，1m)。因此，构建的椭圆柱状包围面的柱长为8m，中心轴沿图2中的x轴方向，椭圆截面的长轴取3m，短轴取1m，使得构建完成的椭圆柱状包围面将三个金属球的组合体完全包围在内。
所述的S2中，按照包围面的局部切向分别放置两个正交的偶极子天线，通过仿真或测量，获取包围面上的不同极化方向的后向散射电场数据，并计算近场散射函数及近场散射函数的分布数据。
进一步，所述的S2中，近场散射函数
Figure BDA0001486013840000051
以及计算近场散射函数的分布数据
Figure BDA0001486013840000052
的计算方法为：
Figure BDA0001486013840000053
Figure BDA0001486013840000054
其中，p,q＝V,H分别表示垂直和水平极化，V取包围面的椭圆柱的轴向，H取包围面的椭圆截面的切向，一共表示有VV、VH、HH和HV这4种极化方向；ρ为包围面上的点至中心轴的距离；
Figure BDA0001486013840000055
为包围面上的散射电场分量大小；Ep0为目标中心处的入射电场分量大小。
在本发明的一个优选实施例中，通过采用基于物理光学(PO)的电磁散射计算方法，来计算单位入射场下包围面上的不同极化方向的后向散射电场数据，并进而根据上述两式计算近场散射函数，以及计算近场散射函数的分布数据。如图3所示，其中示出了VV极化的近场散射函数的分布结果。
所述的S3中，在弹目交会过程中，对某一时刻的探测天线，计算其在包围面上的照射区域中各位置的电场增益，且按极化方向分解，再对不同极化方向下的近场散射函数进行加权计算，得到加权后的近场散射函数。
进一步，所述的S3中，加权后的近场散射函数
Figure BDA0001486013840000061
的计算方法为：
Figure BDA0001486013840000062
其中，t表示某一时刻；
Figure BDA0001486013840000063
和
Figure BDA0001486013840000064
分别为按极化方向分解后得到的探测天线在包围面上的照射区域中各位置的电场增益。
如图4所示，在本发明的一个优选实施例中，在弹目交会过程中，采用某一维窄波束的探测天线，当该天线波束照射包围面时，根据上述公式对包围面上的照射区域的近场散射函数进行加权计算。本实施例中，为了减少计算量，仅选取探测天线的主波束在包围面上的照射区域进行计算。
所述的S4中，对某一时刻，提取包围面内的目标被探测天线的照射区域(即目标表面天线增益较大的区域)，通过对包围面积分来计算其局部位置处的不同极化方向下的散射源强度。
进一步，所述的S4中，目标表面的局部位置处的不同极化方向下的散射源强度apq(ra)的计算方法为：
Figure BDA0001486013840000065
其中，R'为目标表面局部位置ra至包围面上位置
Figure BDA0001486013840000066
处的距离；k为电磁波波数；S'为包围面被天线波束所照射的照射区域的表面面积。
如图5所示，在本发明的一个优选实施例中，根据某一维窄波束探测天线方向图，对某一时刻，提取目标表面被探测天线主波束的照射区域，并根据上述公式计算该区域内局部位置处的散射源强度。
所述的S5中，根据某一时刻目标表面局部散射源的分布，通过积分计算直接获取不同时刻目标的动态回波。
进一步，所述的S5中，不同时刻目标的动态回波的计算方法为：
Figure BDA0001486013840000067
其中，aVV、aVH、aHV与aHH分别表示不同极化方向下的局部散射源强度；i为虚数单位；k为电磁波波数；R为目标表面局部位置ra至t时刻观测天线位置的距离；S为目标被天线波束所照射的照射区域的表面面积。
在本发明的一个优选实施例中，基于某一时刻目标表面局部散射源的分布，并根据上述公式计算得到的时刻t的目标动态回波如图6所示。
综上所述，本发明提供的局部散射源反演的近场散射函数转换弹目交会回波的方法，与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：本发明实现了不同观测天线下弹目交会回波的快速计算。一方面，利用本发明方法，目标近场散射函数数据将与观测天线去相关，大幅提高了特性数据的适用率。另一方面，利用本发明方法，对电大尺寸目标，可提高其动态回波的仿真计算速度。因此，本发明有效解决了弹目交会中目标近场特性与观测天线密切相关，数据难以共用的问题。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种局部散射源反演的近场散射函数转换弹目交会回波的方法，其特征在于，对已知几何外形的目标，生成在探测天线照射下的目标动态回波，具体包含以下步骤：
S1、按目标的长度方向构建椭圆柱状的包围面，将目标完全包围在内；
S2、基于正交偶极子，获取包围面上的近场散射函数的分布数据；
S3、在弹目交会过程中，对近场散射函数进行探测天线方向图的加权计算；
S4、基于加权后的近场散射函数，反演计算目标表面的局部散射源；
S5、基于反演的局部散射源，生成目标的动态回波；
所述的S2中，按照包围面的局部切向分别放置两个正交的偶极子天线，通过仿真或测量，获取包围面上的不同极化方向的后向散射电场数据，并计算近场散射函数及近场散射函数的分布数据；
所述的S2中，近场散射函数
Figure FDA0002898110750000011
以及计算近场散射函数的分布数据
Figure FDA0002898110750000012
的计算方法为：
Figure FDA0002898110750000013
Figure FDA0002898110750000014
其中，p＝V、q＝H分别表示垂直和水平极化，V取包围面的椭圆柱的轴向，H取包围面的椭圆截面的切向；ρ为包围面上的点至中心轴的距离；
Figure FDA0002898110750000015
为包围面上的散射电场分量大小；Ep0为目标中心处的入射电场分量大小。
2.如权利要求1所述的局部散射源反演的近场散射函数转换弹目交会回波的方法，其特征在于，所述的S1中，以长度方向的目标轴为中心轴，构建椭圆柱状的包围面，要求柱长大于目标长度，椭圆截面的长轴和短轴分别大于目标横截面内两正交方向的尺寸，将目标完全包围在椭圆柱状的包围面内。
3.如权利要求1所述的局部散射源反演的近场散射函数转换弹目交会回波的方法，其特征在于，所述的S3中，在弹目交会过程中，对某一时刻的探测天线，计算其在包围面上的照射区域中各位置的电场增益，且按极化方向分解，再对不同极化方向下的近场散射函数进行加权计算，得到加权后的近场散射函数。
4.如权利要求3所述的局部散射源反演的近场散射函数转换弹目交会回波的方法，其特征在于，所述的S3中，加权后的近场散射函数
Figure FDA0002898110750000021
的计算方法为：
Figure FDA0002898110750000022
其中，t表示某一时刻；
Figure FDA0002898110750000023
和
Figure FDA0002898110750000024
分别为按极化方向分解后得到的探测天线在包围面上的照射区域中各位置的电场增益。
5.如权利要求4所述的局部散射源反演的近场散射函数转换弹目交会回波的方法，其特征在于，所述的S4中，对某一时刻，提取包围面内的目标被探测天线的照射区域，通过对包围面积分来计算其局部位置处的不同极化方向下的散射源强度。
6.如权利要求5所述的局部散射源反演的近场散射函数转换弹目交会回波的方法，其特征在于，所述的S4中，目标表面的局部位置处的不同极化方向下的散射源强度apq(ra)的计算方法为：
Figure FDA0002898110750000025
其中，R'为目标表面局部位置ra至包围面上位置
Figure FDA0002898110750000026
处的距离；k为电磁波波数；S'为包围面被天线波束所照射的照射区域的表面面积。
7.如权利要求6所述的局部散射源反演的近场散射函数转换弹目交会回波的方法，其特征在于，所述的S5中，根据某一时刻目标表面局部散射源的分布，通过积分计算直接获取不同时刻目标的动态回波。
8.如权利要求7所述的局部散射源反演的近场散射函数转换弹目交会回波的方法，其特征在于，所述的S5中，不同时刻目标的动态回波的计算方法为：
Figure FDA0002898110750000027
其中，aVV、aVH、aHV与aHH分别表示不同极化方向下的局部散射源强度；i为虚数单位；k为电磁波波数；R为目标表面局部位置ra至t时刻观测天线位置的距离；S为目标被天线波束所照射的照射区域的表面面积。
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目标近场电磁散射特性计算与应用;金桂玉;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技II辑》;20120715(第07期);正文第36-66页 *
长旋转椭球体近区电磁反射特性数学模型;柯传沧 等;《指导与引信》;19900930(第03期);第12-29页 *

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